基于水热技术的粪便污水中病原微生物灭活试验研究

张 喆，王一迪，玉散·吐拉甫，夏 洲，，张 超，沈 威，王 伟

（1.清华大学环境学院，北京 100084；2.四川深蓝环保科技有限公司，四川 成都 610041）

1 引言

新冠肺炎病毒（COVID-19） 疫情期间，特定医疗机构亟需医疗废水、污水污泥和粪便等多点位协同的应急消毒灭菌技术与装备。生态环境部制定的《新型冠状病毒污染的医疗污水应急处理技术方案（试行）》要求严防污染扩散，强化消毒灭菌。新冠肺炎患者的粪便样本中存在具有活性的病毒，且存活时间可能达数小时至数十天，因此，对特定医疗机构含病毒污水的消毒是防止疫情扩散的关键环节之一［1］。目前，对于含病毒污水的消毒主要以投加二氧化氯为主，在疫情期间为保证最大程度灭杀病原微生物，普遍过量投加，但是含氯消毒剂都具有一定的氧化性、腐蚀性及致敏性，过量或长期过度消毒会危害人体健康和生态环境。在大规模疫情暴发情况下大剂量大规模的氯消毒会严重影响市政污水处理系统。

《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案（试行第五版）》指出，新冠病毒具有热敏感性，故水热强化灭菌技术是适合应急条件下的含病毒污水处理技术。目前水热技术广泛应用于高含水有机固废预处理领域，其原理主要是通过高温高压的环境破坏并分解处理对象中的有机物，该原理同样适用于含病毒污水［2］。当含病毒污水被加热至一定的温度后，在相应饱和蒸气压的作用下，微生物细胞破碎，蛋白质失去生理活性，丧失了感染、致病及繁殖能力，使污水中的病原菌被彻底消杀，有效地阻断了病毒的繁殖途径。整个过程无需投加药剂，不会造成后续城市污水处理厂管道/设备腐蚀、好氧微生物失活等问题，有利于疫后再生水厂的快速恢复使用。连续式水热设备构造简单，投资少、占地面积小、运行费用低、故障率低、自动化水平高，可应用于火神山、雷神山和小汤山等定点医疗结构的水处理系统，同时可建设移动式、撬装式水热装备作为应急储备物资，当疫情发生时，可以直接对接定点医院和集中隔离点的水处理系统。

由于疫情期间的条件所限，本研究没有获得疫区现场的医疗废水，试验以模拟人粪便污水为研究对象，以大肠菌群和细菌作为指示微生物，研究不同温度下水热对样品中微生物的杀灭特性，为水热强化灭菌装置的参数设计提供理论基础。

2 材料与方法

2.1 水热强化灭菌试验

试验原料为模拟人粪便污水和市政污泥。粪便污水采用250 g 人粪便稀释300 倍代替，为了验证可靠性，对模拟粪便污水的COD 和SS 进行了检测，检测结果如表1 所示。

表1 模拟粪便污水的理化性质

水热强化试验装置及示意如图1 所示，每组试验分别取1 L 模拟粪便污水倒入3 个不锈钢密闭反应釜中作为平行样品，采用油浴加热对不锈钢密闭反应釜进行加热，设定水热温度分别为120、140、160、180 ℃，根据之前的研究结果，将水热的时间设定为30 min，待反应釜中温度升高至指定温度后开始计时［3-5］。将不锈钢密闭反应釜移至冷水槽中强制降温后取出样品进行大肠菌群数和细菌总数检测。上述过程中涉及的容器在试验前均被医用灭菌锅灭菌，试验环境尽可能保证无菌操作。

图1 水热强化灭菌试验装置及示意

2.2 复活试验

分别取500 mL 经120、140 ℃条件下水热后的模拟粪便污水样品，将其放入人工气候箱中，设定温度25 ℃，湿度20%，在日光灯照射下培养24 h，完毕后取出样品将其倒入容器中，检测粪大肠杆菌数和细菌总数。

2.3 评测指标

大肠菌群数参照HJ 347.2—2018 水质 粪大肠菌群的测定多管发酵法检测，细菌总数参照HJ 1000—2018 水质 细菌总数的测定 平皿计数法检测，灭活率公式如下：

式中：η 表示灭活率，为无量纲数；A 和B 分别表示水热试验前后样品中的粪大肠菌数或细菌总数，m 表示温度参数，i=1 或2，其中1 表示粪大肠杆菌数，2 表示细菌总数。

3 结果与讨论

3.1 模拟粪便污水水热强化灭菌试验

以模拟粪便污水作为水热对象时，不同温度下的灭菌效果如表2 所示。粪便污水原样中，粪大肠菌数和细菌总数分别为≥2.4×104MPN/L 和4.0×105CFU/mL，在设定的4 种温度（120、140、160、180 ℃） 条件下水热30 min 后，粪便污水中的粪大肠杆菌数和细菌总数均降低到分析方法的检测限以下，粪大肠菌数和细菌总数的灭活率达到100%，实现了完全灭活，这充分说明将水热强化灭菌技术应用到粪便污水中是可行的。

表2 模拟粪便污水水热强化灭菌效果

3.2 复活试验

复活试验选用了水热条件较为温和的120、140 ℃水热后的模拟粪便污水样品，在人工气候箱中培养24 h 后，检测结果如表3 所示。

表3 模拟生活污水水热后复活试验

通过表3 可以发现，2 种样品经24 h 培养后，粪大肠菌数和细菌总数未发生明显变化，培养前后粪大肠菌数和细菌总数均低于检测下限，这说明水热后粪便污水中的微生物完全丧失了繁殖再生能力。

4 结论

从2003 年暴发的非典型肺炎到2020 年暴发的COVID-19 疫情，仅间隔了17 a。从2 次疫情中可以发现，面对突发情况，我国医疗机构对于应急状态下的消毒工艺尚显不足，因此，国家对建设医院应急系统的工作势在必行。水热强化灭菌技术在120～180 ℃条件下对样品中的微生物可以实现完全灭活，灭菌后样品几乎不再具备复活和繁殖能力，且水热强化灭菌后的污水可直排市政污水管道。连续式水热强化灭菌设备可以作为定点医疗机构的水处理应急设备，在疫情暴发的应急状态下，撬装式连续式水热强化灭菌设备可直接对接普通医院及方舱医院，为医疗废水和粪便消毒灭菌。